Funktionale Sicherheit bei EMV-Beeinflussung 2014/2_6... · § IEC/EN 61508-4: Teil der Gesamtsicherheit, bezogen auf die überwachte Einrichtung ... 61000-4-17 Ripple auf DC-Speisung

Christoph Hauser El. Ing. FH Leiter EMV Labor Fehraltorf

Funktionale Sicherheit bei EMV-Beeinflussung

1 Funktionale Sicherheit bei EMV-Beeinflussung | Christoph Hauser | 21.01.2014 | © Electrosuisse

Funktionale Sicherheit bei EMV-Beeinflussung

Funktionale Sicherheit bei EMV-Beeinflussung | Christoph Hauser | 21.01.2014 | © Electrosuisse

INHALT • Begriffsdefinition Funktionale Sicherheit, normative Verweise • Begriffsdefinition SIL • IEC/EN 61508, 62061 • Anwendungsbereiche, Zusammenhang EMV-Normen • Laborgeräte, Übersicht Normenreihe 61326-x • Geltungsbereich 61326-3-1 und -3-2 • Ablaufdiagramm EMV und Funktionale Sicherheit • Bewertungskriterien FS und A, B, C • Grundsätzliches Vorgehen • Übersicht Prüfnormen Immunität und Phänomene • Prüfpegel für Kriterium FS • Funktionale Sicherheit Haushaltsgeräte 60335.1, clause 9.11.4 • zukünftige Fachgrundnorm 61000-6-7

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Begriffsdefinition Funktionale Sicherheit

Funktionale Sicherheit ist die Sicherheit vor Gefährdung, die aus der (fehlerhaften) Funktion einer Einrichtung resultiert.

§ IEC/EN 61508-4: Teil der Gesamtsicherheit, bezogen auf die überwachte Einrichtung (EUC) und das Steuersystem für die überwachte Einrichtung EUC-Leit- oder Steuerungssystem, die von der korrekten Funktion des elektrischen, elektronischen oder elektronisch programmierbaren (E/E/PE-) sicherheitsbezogenen Systems, sicherheitsbezogenen Systemen anderer Technologie und externer Einrichtungen zur Risikominderung abhängt .


Basisdokumente, normative Verweise

IEC/EN 61508 Funktionale Sicherheit sicherheitsbezogener elektrischer/elektronischer/programmierbarer elektronischen Systeme.

IEC/EN 61511 Sicherheitstechnische Systeme für die Prozessindustrie

IEC/EN 62061 Funktionale Sicherheit sicherheitsbezogener elektrischer, elektronischer und programmierbarer elektronischer Steuerungssysteme

IEC TS 61000-1-2 Methoden für die funktionale Sicherheit in Bezug zur EMV. Die Auswahl der zu betrachtenden Phänomene richtet sich nach dem Einsatzgebiet und der vom Endbenutzer erwarteten Performance. Zukünftig soll aus dieser technischen Spezifikation eine Norm werden.

IEC 61000-2-5 Elektromagnetische Umgebungen

Wahrscheinlichkeit, dass ein sicherheitsbezogenes System die sicherheitsbezogenen Funktionen innerhalb eines festgelegten Zeitraumes anforderungsgemäss ausführt. Die 4 Level / Zeiträume sind wie folgt festgelegt: Level Zeitraum SIL 1 10 Jahre SIL 2 100 Jahre SIL 3 1000 Jahre SIL 4 10000 Jahre

Begriffsdefinition Sicherheits-Integritätslevel (SIL)


Beispiel SIL 3:

Nicht mehr als 1 gefährlicher Ausfall der Sicherheitsfunktion in 1000 Jahren

• Basisnorm für die Bewertung von Sicherheitsfunktionen

• Risikoanalyse als zentrales Element

• Beurteilung des Risikos eines gesamten Sytems – Gefahren – Eintretenswahrscheinlichkeit

• Beurteilung der realisierten Sicherheitsfunktion

– Ausfallswahrscheinlichkeit – Empfindlichkeit auf äussere Einwirkung

IEC / EN 61508


Zentrale Frage: Welche Sicherheitsfunktionen sind mit Elektrik/Elektronik abgedeckt ?

• Basisnorm für die Bewertung der funktionalen Sicherheit von elektronischen Steuerungssystemen

• Verfahren für Entwurf, Integration und Validierung

• Elektromagnetische Beeinflussung ist aufgeführt als zu analysierende Beeinflussungen, aber nur empfohlen

• Mangel: Methodik der erhöhten Prüfpegel und verlängerte Einwirkdauer für SIL 3 nicht konsequent umgesetzt

IEC / EN 62061


A1: 2013 Informativer Anhang E wird gelöscht 6.4.3: etwas verbindlicherer Verweis auf 61326-3-1

Überlappende Anwendungsbereiche


elektrisch

elektronisch, einfach programmierbar

EN ISO 13849-1 und -2 EN 954-1

pneumatisch

Systeme elektronisch, anwender- programmierbar

EN 61508

MASCHINEN- SEKTOR

GENERIC

EN 62061

Sicherheits-Bauteile elektronisch, System-Programm


Zusammenhang mit EMV-Normen


Laborgeräte: Harmonisierte Normen EMV

Die Produktfamilien-Norm für die EMV von Laborgeräten ist die IEC/EN 61326 - Reihe, gegliedert in die folgenden Teile:

61326-1 Teil 1: Allgemeine Anforderungen 61326-2-x Teile 2: besondere Anforderungen

für bestimmte Produkte 61326-3-x Teile 3: EMV und funktionale Sicherheit

EN 61326 -1 und -2-x sind gelistet unter der EMV-RL, ausser -2-6 (IVD-RL)

EN 61326 -3-x nicht gelistet unter der EMV-RL, weil sicherheitsbezogen

Norm EN ... Norm IEC ...

EN 61326-1:2013 IEC 61326-1:2012 (ed.2) Allgemeine Anforderungen EN 61326-3-1:2008 IEC 61326-3-1:2008 (ed.1) Störfestigkeitsanforderungen für sicherheitsbezogene Systeme und für Geräte, die für sicherheitsbezogene Funktionen vorgesehen sind (Funktionale Sicherheit) – Allgemeine industrielle Anwendungen EN 61326-3-2:2008 IEC 61326-3-2:2008 (ed.1) Störfestigkeitsanforderungen für sicherheitsbezogene Systeme und für Geräte, die für sicherheitsbezogene Funktionen vorgesehen sind (Funktionale Sicherheit) – Industrielle Anwendungen in spezifizierter elektromagnetischer Umgebung

Auszug Normenreihe 61326-x


Es gilt der Anwendungsbereich von Teil 1 dieser Norm, jedoch ist er auf Systeme und Geräte beschränkt, die in industriellen Anwendungen sicherheitsbezogene Funktionen, wie sie in IEC 61508 für SIL 1-3 definiert sind, ausführen sollen.

61326-3-1: Diese Norm umfasst industrielle Umgebungen (gemäss IEC 61000-6-2), sowohl innerhalb als auch ausserhalb von Gebäuden.

61326-3-2: Diese Norm umfasst Umgebungen für industrielle Anwendungen mit besonderer elektromagnetischer Umgebung (vorhandener Schutz, Störgrössen im Umfeld bekannt, …)

Geltungsbereich 61326-3-x


61326-3-1 © IEC:2008 ELECTRICAL EQUIPMENT

FOR MEASUREMENT, CONTROL AND

LABORATORY USE – EMC REQUIREMENTS -

Immunity requirements for

safety-related systems and for equipment intended to perform

safety-related functions (functional safety) –

General industrial applications

§ IEC/EN 61326-3-2, cl. 1

Ablaufdiagramm EMV und Funktionale Sicherheit


§ IEC/EN 61326-3-x, Intro

Funktionale Sicherheit Bewertungskriterium Fail-Safe (FS)


Diejenigen Funktionen, die nicht für sicherheitsbezogene Anwendungen benutzt werden, können vorübergehend oder dauerhaft beeinflusst werden. Diejenigen Funktionen eines EUT, die für sicherheitsbezogene Anwendungen benutzt werden, werden nicht ausserhalb ihrer Spezifikation beeinflusst. Oder sie können vorübergehend oder dauerhaft gestört werden, falls das EUT auf eine Störung derart reagiert, dass ein feststellbarer, definierter Zustand (oder Zustände) eingestellt oder in einer bestimmten Zeit erreicht wird. Auch eine Zerstörung ist erlaubt, falls ein feststellbarer, definierter Zustand (oder Zustände) eingestellt oder in einer bestimmten Zeit erreicht wird.

§ IEC/EN 61326-3-1, clause 6.2

Immunität EMV: Bewertungskriterien


Kriterien für das Verhalten des Prüflings:

• Kriterium A: - Keine Beeinträchtigung während und nach der Prüfung

• Kriterium B:

- Beeinträchtigung nur während der Prüfung, selbst erholend

• Kriterium C:

- Beeinträchtigung während und/oder nach der Prüfung, durch Benutzer rückstellbar

Bewertungskriterien

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beabsichtigter Gebrauch

normaler Pegel erhöhter Pegel / Dauer

normale Funktion

normale Festlegungen kann ausfallen

Bewertungskriterien A, B, C

Sicherheits-funktion

Bewertungskriterien Bewertungskriterium FS

− A, oder − B und beobachtete

Abweichung und Erholzeit, die im Datenblatt dokumentiert werden muss, oder

− C und beobachtetes Verhalten, welches im Datenblatt dokumentiert ist

d.h. kein Effekt ausserhalb der Spezifikation, oder definierter Zustand

Kriterium A ist auch akzeptiert

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Grundsätzliches Vorgehen


Der Hersteller erstellt die Risikoanalyse und definiert die Sicherheitseigenschaften, die geforderten SIL-Level und die Umgebungsbedingungen. Zusammen mit dem EMV-Labor wird ein Prüfplan erstellt. Darin werden die zu prüfenden Betriebszustände, der Prüfaufbau, die Prüflingsüberwachung, Schnittstellen und das tolerierte Verhalten für Kriterium FS (evtl. auch A, B, C) festgelegt. Die Anzahl Ports, zu prüfenden Zustände, Beobachtungszeiten und der SIL-Level ergeben die Parameter für die Prüfung. Im Unterschied zur „klassischen“ EMV ist dies nicht mehr ein „Black-Box-Approach“, sondern ein „System-Approach“ !!

§ IEC/EN 61326-3-1, clause 8

Die Vorbereitung und Planung ist oft der grösste Aufwand !

Übersicht Prüfnormen: Immunität, Phänomene (1)


IEC / EN .. Phänomen Typische Ursache

61000-4-2 ESD Elektrostatische Entladung 61000-4-3 HF-Einstrahlung Radiosender, Handy 61000-4-4 Burst Kontaktprellen 61000-4-5 Surge Blitzeinschlag 61000-4-6 HF-Einkopplung Radiosender, Funksender 61000-4-8 50/60 Hz Magnetfeld Stromversorgungsleitung 61000-4-9 Impuls-Magnetfeld Kurzschluss Energieverteilung 61000-4-10 Oszill. Magnetfeld Schaltvorgang Energieverteilung 61000-4-11 Spannungseinbrüche Netzspannungsausfall fett : in 61326-3-1 und/oder 61326-3-2 verwendet rot : für funktionale Sicherheit relevant gemäss 61000-1-2

Übersicht Prüfnormen: Immunität, Phänomene (2)


IEC / EN .. Phänomen Typische Ursache

61000-4-12 Gedämpfte Schwingung Schaltvorgang Energieverteilung 61000-4-13 Harmonische Rundsteuerung 61000-4-14 Spannungsschwankung Laständerung Energieverteilung 61000-4-16 Einkopplung <150 kHz Frequenzumformer 61000-4-17 Ripple auf DC-Speisung Welligkeit auf DC-Speisung 61000-4-18 Oszill. Schwingung Schaltvorgang Energieverteilung 61000-4-27 Unsymmetrie 3-Phasen Belastung 3 Phasen verschieden 61000-4-28 Frequenzvariation Drehzahländerung Generator 61000-4-29 Spannungseinbruch DC Speisespannungsausfall 61000-4-34 Spannungseinbruch 3P. Netzspannungsausfall 3 Phasen fett : in 61326-3-1 und/oder 61326-3-2 verwendet rot : für funktionale Sicherheit relevant gemäss 61000-1-2

ESD


- Basisnorm: IEC / EN 61000-4-2 - Schneller transienter Entladungsimpuls

- tr < 1.0 nsec. - Prüfpegel:

- Kontakt: 2, 4, 6, 8 kV - Luft: 2, 4, 8, 15 kV

- Entladungen auf das Gehäuse - an für den Benutzer zugänglichen Oberflächen - Kontaktentladung für leitende Oberflächen - Luftentladung für nicht leitende Oberflächen - Direkte- und indirekte Entladungen - Beurteilung für EMV ist Kriterium B

HF Einstrahlung


- Basisnorm: IEC / EN 61000-4-3

- Frequenzbereich: 80 bis 6000 MHz

- Prüfpegel (typisch) - 3 V/m für Wohnbereich - 10 V/m für Industriebereich

- 80 % AM Modulation mit 1 kHz

- Kontinuierliche Störung

- Prüfung in Absorberhalle

- Polarisation horizontal und vertikal

- Antennendistanz zum Prüfling 3 m

- Antennenhöhe 1.5 m

- Prüfung von 4 Seiten des Prüflings

- Beurteilung EMV ist Kriterium A

Burst


- Basisnorm: IEC / EN 61000-4-4 - Schnelle transiente Störgrössen - Prüfpegel: 0.5, 1.0, 2.0, 4.0 kV - Pulswiederholfrequenz 5 kHz normativ - Dauer des Burst Pakets:

- bei 5 kHz: 15 ms - bei 100 kHz: informativ 5 oder 10 ms

- Einkopplung: - Netzleitung auf L, N, PE - Signal- Steuerleitungen > 3 m

- Beurteilung EMV ist Kriterium B

Surge



- Energiereiche Stossspannung

- Prüfpegel: 0.5, 1.0, 2.0, 4.0 kV

- so genannter Kombinationspuls

- tr =1.2 / 50 μs (Spannung) und 8 / 20 μs (Strom)

- Einkopplung: - Netzleitung L<> N, L<> PE, N<>PE

- Signal- Steuerleitungen (wenn länger als 30 m)


HF-Einkopplung



- Frequenzbereich: 0.15 bis 80 MHz

- Prüfpegel: - 3 V für Wohnbereich - 10 V für Industriebereich

- 80 % AM Modulation mit 1 kHz


- Einkopplung mit CDN‘s:

- Netzleitung auf L+N+PE

- Signal- Steuerleitungen > 3 m

- Beurteilung EMV ist Kriterium A

Magnetfeld



- Frequenzbereich: (0) / 16.7 / 50 und 60 Hz

- Prüfpegel: typ. 3 A/m bis 300 A/m


- Einkopplung mit Induktionsspulen mit 1 bis 50 Windungen in einer oder 2 Ebenen (Helmholtzspule)

- Prüfung in 3 Achsen: X, Y, und Z

- nur bei magnetisch empfindlichen Geräten


Netzspannungs-einbrüche / -unterbrüche


- Basisnorm: IEC / EN 61000-4-11 / (-34) - Prüfungen bei:

- 0 % U Netz für eine ½ Periode - 0 % U Netz für 1 Periode - 40 % U Netz für 10/12 Perioden1

- 70 % U Netz für 25/30 Perioden1

- 0 % U Netz für 250/300 Perioden1

- Beurteilung EMV ist

- Kriterium B für ½ oder 1 Periode - Kriterium C für mehr als 1 Perioden

1) 10/12 bedeutet 10 Perioden bei 50 Hz und 12 Perioden bei 60 Hz

NF-Einkopplung



- Frequenzbereich: DC, 15 Hz – 150 kHz

- Prüfpegel (Kurve): - 1 V bis 30 V

- Keine Modulation

- Einkopplung mit CDN‘s

- Wichtig: Entkopplung

Gleichspannungs-einbrüche / -unterbrüche


- Basisnorm: IEC / EN 61000-4-29 - Prüfungen bei:

- 40 % UT für 10 ms - 0 % UT für 10 ms, 20ms - 40 % UT für 1000 ms - 0 % UT für 1000 ms

- anwendbar bei Gleichspannungs- Versorgungsnetzen - Beurteilung EMV ist Kriterium B / C

Prüfpegel nach IEC/EN 61326-3-1 Kriterium FS


IEC / EN .. Phänomen Prüfpegel 61000-4-2 ESD 6 kV Kontakt, 8 kV Luftentladung 61000-4-3 HF-Einstrahlung 20 V/m, 80 – 1000 MHz 10 V/m, 1.4 - 2 GHz / 3 V/m, 2 - 2.7 GHz 61000-4-4 Burst 3 kV, 5 kHz auf Netzleitung * 61000-4-5 Surge 2 kV L-N / 4 kV L-PE und N-PE * 61000-4-6 HF-Einkopplung 10 V, 0.15 – 80 MHz 61000-4-8 50/60 Hz Magnetfeld 30 A/m 61000-4-11 Spannungseinbrüche 0% - 20 ms, 40% - 200 ms, 0%-5 s 70%-500 ms 61000-4-16 NF-Einkopplung 1 – 10 V, 1.5 kHz – 15 kHz, * 10 V, 15 kHz – 150 kHz * 61000-4-29 Spannungseinbruch DC 0%-20 ms, 40%-10 ms rot: Höhere Prüfpegel als für EMV Industrieumgebung * Je nach Port abweichende und zusätzliche Prüfbedingungen

IEC/EN 60335-1, 19.11.4 Funktionale Sicherheit


Das Gerät darf keine gefährliche Fehlfunktion ausführen und es darf kein Fehlverhalten des elektronischen Schutzstromkreises geben, falls das Gerät noch betriebsfähig ist. Geräte mit einer elektronischen Schalteinrichtung, die in der AUS-Stellung oder im Betriebszustand „stand-by“ geprüft werden, dürfen nicht in Betrieb gehen oder wenn sie in Betrieb gehen, darf keine gefährliche Fehlfunktion entstehen.

Neben sicherheitstechnischen Anforderungen sind funktionale Kriterien für die Prüfungen nach 19.11.4 gefordert:

IEC/EN 60335-1, 19.11.4 Elektronische Schutzschaltungen (PEC)


Die elektronische Schutzschaltung muss bei zutreffenden Prüfungen nach den entsprechenden Abschnitten 19 ansprechen. In diesem Zustand wird das Gerät den elektro-magnetischen Beeinflussungen nach 19.11.4 unterworfen. Das Gerät darf keine gefährliche Fehlfunktion ausführen und es darf kein Fehlverhalten des elektronischen Schutzstromkreises geben, falls das Gerät noch betriebsfähig ist.

Geräte mit elektronischen Schutzschaltungen (PEC) werden in ähnlicher Form geprüft wie Geräte mit elektronischer AUS-Stellung. Überspannungsschutzelemente ohne Funkenstrecke werden dabei entfernt.

Prüfpegel nach IEC/EN 60335-1, 19.11.4 Elektronische Schutzschaltungen (PEC)


IEC / EN .. Phänomen Prüfpegel

61000-4-2 ESD 8 kV Kontakt, 15 kV Luftentladung 61000-4-3 HF-Einstrahlung 10 V/m, 80 – 1000 MHz * 61000-4-4 Burst 4 kV, 5 kHz auf Netzleitung 61000-4-5 Surge 2 kV L-N / 4 kV L-PE und N-PE ** 61000-4-6 HF-Einkopplung 10 V, 0.15 – 80 MHz 61000-4-11 Spannungseinbrüche 0%-10 ms, 0%-20 ms, 40%-200 ms 70%-500 ms, 80%-5 s 61000-4-13 Oberschwingungen Klasse 2: 16 – 2000 Hz, 3 – 21 V 19.11.4.8 Abschaltspannung Abschaltpegel -10% für 60 s * Ausgabe 2006: erweiterte Frequenzbereiche 800 – 960 MHz und 1400 – 6000 MHz. Edition 5 der 60335-1: Frequenzbereich 80 – 1000 MHz und 1400 – 2000 MHz definiert ** Schutzelemente ohne Funkenstrecke entfernt / Heizungen abgehängt bei Schutzklasse 1


„Flache Kurve“

Frequenz Klasse 1 Klasse 2 Klasse 3 Klasse X

Hz Prüfpegel in % von U1 Prüfpegel in % von U1 Prüfpegel in % von U1 Prüfpegel in % von U1

50 95 90 80 tbd

Oberschwingungen nach EN/IEC 61000-4-13 (1)


Kurve „Überschwingen“


Frequenz Klasse 1 Klasse 2 Klasse 3 Klasse X

Hz Prüfpegel in % von U1 Prüfpegel in % von U1 Prüfpegel in % von U1 Prüfpegel in % von U1

150 4 / 180° 6 / 180° 8 / 180° tbd

250 3 / 0° 4 / 0° 5 / 0° tbd



Frequenz Klasse 1 Klasse 2 Klasse 3

Hz Prüfpegel in % Prüfpegel in % Prüfpegel in %

16 ... 100 2 3 4.5

100 ... 500 5 9 14

500 ... 750 4 4.5 9

750 ... 1000 2 2 6

1000 ... 2000 2 2 4

Prüfung „Frequenzdurchlauf“





16 ... 2000 0 ... 4.5 0 ... 7.5 0 ... 10

Prüfung „Einzelne Oberschwingungen“

Prüfung „Zwischenharmonische“

• Ungeradzahlige Oberschwingungen keine Vielfache von 3 (Tabelle 1)

• Ungeradzahlige Oberschwingungen Vielfache von 3 (Tabelle 2 )

• Geradzahlige Oberschwingungen (Tabelle 3)



Prüfung „Meisterkurve“

entspricht dem maximal erlaubten Pegel für Rundsteueranlagen



16 ... 100 -- 3 4

100 ... 500 -- 9 10

500 ... 1000 -- 4500/f 4500/f

1000 ... 2000 -- 4500/f 4500/f

IEC/EN 60335-1, 19.11.4.8 Abschaltspannung


Das Gerät wird mit Bemessungsspannung betrieben. Nun wird die Netzspannung allmählich reduziert, bis das Gerät nicht mehr reagiert oder programmierte Bauteile nicht mehr arbeiten. Diese Abschaltspannung wird notiert. Das Gerät wird mit Bemessungsspannung betrieben. Nun wird die Netzspannung allmählich auf den Wert Abschaltspannung -10% reduziert für 60 s und danach wieder auf Nominalspannung gebracht. Das Gerät muss entweder normal weiter funktionieren oder es muss mit einer Betätigung neu gestartet werden können.

Geräte mit programmierbaren Bauteilen werden wie folgt geprüft, ausser wenn Gefährdungen durch Netzausfälle ausgeschlossen werden können. Stützbatterien werden dabei entfernt.

• Fachgrundnorm für die Immunitätsprüfung von Geräten, die für Sicherheitsfunktionen eingesetzt werden

• Direkte Bindung an 61508 und 61000-1-2 (obwohl diese noch nicht in eine Norm überführt ist !)

• beschränkt auf die Verifikationsphase • Produktnormen haben grundsätzlich Vorrang • aber: Die Produktnorm soll weggelassene Phänomene oder

reduzierte Prüfanforderungen technisch begründen • inkonsequent: 61000-4-13 fehlt • Kriterium heisst nun DS für Defined State • Prüfpegel und Einwirkdauer entsprechen der 61000-1-2 • aktueller Stand: 77/450/CDV, Abstimmung bis 31.1.2014

zukünftige Fachgrundnorm 61000-6-7


Prüfpegel 61000-6-7 (77/450/CDV)


IEC / EN .. Phänomen Prüfpegel 61000-4-2 ESD 8 kV Kontakt, 15 kV Luftentladung 61000-4-3 HF-Einstrahlung 20 V/m, 80 – 1000 MHz 10 V/m, 1.4 - 2 GHz / 3 V/m, 2 - 6 GHz 61000-4-4 Burst 4 kV, 5 kHz auf Netzleitung * 61000-4-5 Surge 2 kV L-N / 4 kV L-PE und N-PE * 61000-4-6 HF-Einkopplung 20 V, 0.15 – 80 MHz 61000-4-8 50/60 Hz Magnetfeld 30 A/m 61000-4-11 Spannungseinbrüche 0% - 20 ms, 40% - 200 ms, 0%-5 s 61000-4-34 70%-500 ms 61000-4-16 NF-Einkopplung 1 – 10 V, 1.5 kHz – 15 kHz, * 10 V, 15 kHz – 150 kHz * 61000-4-29 Spannungseinbruch DC 0%-20 ms, 40%-10 ms rot: Höhere Prüfpegel als für EMV Industrieumgebung * Je nach Port abweichende und zusätzliche Prüfbedingungen

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Vielen Dank !

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